Vải làm từ sợi carbon dệt lại
Sợi carbon dài 8 mm cắt nhỏ
Sợi carbon hoặc sợi cacbon (xen kẽ sợi cacbon, sợi graphite hoặc sợi than chì) là những sợi có đường kính khoảng 5-10 micrômet và có thành phần chủ yếu là các nguyên tử carbon. Sợi carbon có một số lợi thế bao gồm độ cứng cao, độ bền kéo cao, trọng lượng thấp, kháng hóa chất cao, chịu được nhiệt độ cao và giãn nở nhiệt thấp. Những đặc tính này đã làm cho sợi carbon rất phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, kỹ thuật dân dụng, quân sự và thể thao cạnh tranh. Tuy nhiên, chúng tương đối đắt tiền khi so sánh với các loại sợi tương tự, chẳng hạn như sợi thủy tinh hoặc sợi nhựa.
Để tạo ra sợi carbon, các nguyên tử carbon được liên kết với nhau trong các tinh thể ít nhiều liên kết song song với trục dài của sợi vì sự liên kết tinh thể mang lại tỷ lệ cường độ trên thể tích cao của sợi (làm cho nó mạnh về kích thước của nó). Vài ngàn sợi carbon được bó lại với nhau để tạo thành một cuộn, có thể tự sử dụng hoặc dệt thành vải.
Sợi carbon thường được phối hợp với những vật tư khác để tạo thành một vật tư hỗn hợp. Khi được ngâm tẩm với nhựa dẻo và nung, nó tạo thành polymer gia cố bằng sợi carbon ( thường được gọi là sợi carbon ) có tỷ suất sức bền trên khối lượng rất cao và cực kỳ cứng mặc dầu hơi giòn. Sợi carbon cũng được phối hợp với những vật tư khác, ví dụ điển hình như than chì, để tạo thành vật tư tổng hợp carbon-carbon gia cố, có năng lực chịu nhiệt rất cao .
Năm 1860, Joseph Swan lần tiên phong sản xuất sợi carbon, để sử dụng trong bóng đèn. [ 1 ] Vào năm 1879, Thomas Edison đã nướng những sợi bông hoặc những thanh tre ở nhiệt độ cao để carbon hóa chúng thành một sợi trọn vẹn bằng sợi carbon được sử dụng trong một trong những bóng đèn sợi đốt tiên phong được đốt nóng bằng điện. [ 2 ] Năm 1880, Lewis Latimer đã tăng trưởng dây tóc carbon đáng an toàn và đáng tin cậy cho bóng đèn sợi đốt, được đốt nóng bằng điện. [ 3 ]Năm 1958, Roger Bacon đã tạo ra những sợi carbon hiệu suất cao tại Trung tâm Kỹ thuật Union carbide Parma nằm bên ngoài Cleveland, Ohio. [ 4 ] Những sợi này được sản xuất bằng cách đốt nóng những sợi rayon cho đến khi chúng được cacbon hóa. Quá trình này tỏ ra không hiệu suất cao, vì những sợi thu được chỉ chứa khoảng chừng 20 % carbon và có đặc tính độ cứng và độ cứng thấp. Đầu những năm 1960, một quy trình được tăng trưởng bởi Tiến sĩ Akio Shindo tại Cơ quan Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản, sử dụng polyacrylonitrile ( PAN ) làm nguyên vật liệu thô. Điều này đã tạo ra một sợi carbon chứa khoảng chừng 55 % carbon. Năm 1960 Richard Millington của HI Thompson Fiberglas Co. đã tăng trưởng một quy trình tiến độ ( Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 3.294.489 ) để sản xuất sợi có hàm lượng carbon cao ( 99 % ) sử dụng rayon làm tiền chất. Các sợi carbon này có đủ cường độ ( mô đun đàn hồi và độ bền kéo ) để làm cốt thép cho vật tư tổng hợp có cường độ cao đến những đặc tính khối lượng và cho những ứng dụng chịu nhiệt độ cao .
Sức mạnh tiềm năng cao của sợi carbon đã được hiện thực hóa vào năm 1963 trong một quy trình được phát triển bởi W. Watt, LN Phillips và W. Johnson tại Cơ sở chế tạo máy bay Hoàng gia tại Farnborough, Hampshire. Quá trình này được Bộ Quốc phòng Anh cấp bằng sáng chế, sau đó được Tập đoàn Phát triển Nghiên cứu Quốc gia Anh cấp phép cho ba công ty: Rolls-Royce, người đã sản xuất sợi carbon; Morganit; và Courtaulds. Trong một vài năm, sau khi sử dụng thành công năm 1968 một tổ hợp quạt bằng sợi carbon Hyfil trong động cơ phản lực Rolls-Royce Conway của máy bay Vickers VC10,[5] Rolls-Royce đã tận dụng các đặc tính của vật liệu mới để xâm nhập thị trường Mỹ với động cơ aero RB-211 với lá máy nén bằng sợi carbon. Thật không may, lá thép tỏ ra dễ bị tổn thương do va chạm với chim. Vấn đề này và những vấn đề khác đã khiến Rolls-Royce thất bại đến mức công ty bị quốc hữu hóa vào năm 1971. Nhà máy sản xuất sợi carbon đã được bán đi để tạo thành công ty Bristol Composites.
Vào cuối những năm 1960, người Nhật đã đi đầu trong việc sản xuất sợi carbon dựa trên PAN. Một thỏa thuận hợp tác công nghệ tiên tiến chung năm 1970 được cho phép Union carbide sản xuất mẫu sản phẩm Toray Industries của Nhật Bản. Morganite quyết định hành động rằng việc sản xuất sợi carbon là phần ngoại vi của hoạt động giải trí kinh doanh thương mại cốt lõi của mình, khiến cho Courtaulds trở thành nhà phân phối sợi carbon lớn duy nhất của Anh. Quá trình sản xuất vô cơ dựa trên nước của Courtelle làm cho mẫu sản phẩm dễ bị tạp chất, không như những loại sản phẩm được làm từ quy trình hữu cơ được những đơn vị sản xuất sợi carbon khác vận dụng, dẫn đến việc Courtaulds ngừng sản xuất sợi carbon vào năm 1991 .Trong những năm 1960, việc làm thử nghiệm để tìm ra những nguyên vật liệu thô thay thế sửa chữa đã dẫn đến sự sinh ra của những sợi carbon được làm từ một mỏ dầu có nguồn gốc từ chế biến dầu. Những sợi này chứa khoảng chừng 85 % carbon và có độ bền uốn tuyệt vời. Ngoài ra, trong tiến trình này, nhà nước Nhật Bản đã tương hỗ rất nhiều cho việc tăng trưởng sợi carbon tại nhà và 1 số ít công ty Nhật Bản như Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon và Tập đoàn Mitsubishi đã khởi đầu tăng trưởng và sản xuất. Kể từ cuối những năm 1970, những loại sợi carbon liên tục gia nhập thị trường toàn thế giới, mang lại độ bền kéo cao hơn và mô đun đàn hồi cao hơn. Ví dụ, T400 từ Toray với độ bền kéo 4.000 MPa và M40, mô-đun 400 GPa. Sợi carbon trung gian, ví dụ điển hình như IM 600 từ Toho Rayon với tối đa 6.000 MPa đã được tăng trưởng. Sợi carbon từ Toray, Celan và Akzo tìm đường đến ứng dụng hàng không thiên hà từ phụ đến sơ cấp trong quân đội và sau đó là máy bay gia dụng như trong những máy bay của McDonnell Douglas, Boeing, Airbus và United Airplane Corporation .
Cấu trúc và đặc thù[sửa|sửa mã nguồn]
Một sợi carbon có đường kính 6 μ m ( chạy từ dưới trái sang trên cùng bên phải ) so với sợi tóc của con ngườiSợi carbon thường được cung ứng dưới dạng sợi kéo liên tục thành một cuộn. Bó là một tập hợp gồm hàng ngàn sợi carbon riêng không liên quan gì đến nhau liên tục được giữ với nhau và được bảo vệ bởi một lớp phủ hữu cơ, ví dụ điển hình như polyethylen ( PEO ) hoặc rượu polyvinyl ( PVA ). Việc cuộn sợi để hoàn toàn có thể thuận tiện mở ra để sử dụng. Mỗi dây tóc carbon trong một cuộn là một hình tròn trụ liên tục với đường kính 5-10 micromet và phần nhiều chỉ gồm có carbon. Thế hệ sớm nhất ( vd T300, HTA và AS4 ) có đường kính 16-22 micromet. [ 6 ] Sợi sau ( ví dụ IM6 hoặc IM600 ) có đường kính khoảng chừng 5 micromet. [ 6 ]Cấu trúc nguyên tử của sợi carbon tương tự như như than chì, gồm có những tấm nguyên tử carbon được sắp xếp theo quy mô lục giác đều ( tấm graphen ), sự độc lạ nằm ở cách những tấm này lồng vào nhau. Than chì là một vật tư tinh thể trong đó những tấm được xếp song song với nhau theo cách thường thì. Các lực liên phân tử giữa những tấm là lực Van der Waals tương đối yếu, khiến than chì có những đặc tính mềm và giòn .Tùy thuộc vào tiền chất để tạo ra sợi, sợi carbon hoàn toàn có thể là động lực học – turbostratic – hoặc graphit, hoặc có cấu trúc lai với cả hai phần graphit và động lực học. Trong sợi carbon phản lực, những tấm nguyên tử carbon được gấp lại một cách ngẫu nhiên, hoặc nhàu nát, cùng nhau. Sợi carbon có nguồn gốc từ polyacrylonitrile ( PAN ) là turbostratic, trong khi sợi carbon có nguồn gốc từ mesophase sân là graphitic sau khi giải quyết và xử lý nhiệt ở nhiệt độ vượt quá 2200 °C. Sợi carbon turbostratic có khuynh hướng có độ bền kéo cao, trong khi sợi carbon có nguồn gốc mesophase được giải quyết và xử lý nhiệt có mô đun Young cao ( nghĩa là độ cứng cao hoặc năng lực lan rộng ra dưới tải ) và độ dẫn nhiệt cao .
Các ứng dụng[sửa|sửa mã nguồn]
Đuôi máy bay trực thăng RC, làm bằng polymer gia cố bằng sợi carbonNăm 2012, nhu yếu thị trường sợi carbon toàn thế giới ước tính là 1,7 tỷ USD với mức tăng trưởng ước tính hàng năm là 10-12 % từ năm 2012 – năm ngoái. [ 7 ] Nhu cầu mạnh nhất về sợi carbon đến từ máy bay và hàng không ngoài hành tinh, nguồn năng lượng gió, cũng như ngành công nghiệp xe hơi với những mạng lưới hệ thống nhựa được tối ưu hóa. [ 8 ] [ 9 ]
Sợi carbon có thể có chi phí cao hơn các vật liệu khác là một trong những yếu tố hạn chế của việc áp dụng. Trong một so sánh giữa vật liệu thép và sợi carbon cho vật liệu ô tô, chi phí sợi carbon có thể đắt hơn 10-12 lần. Tuy nhiên, phí bảo hiểm này đã giảm trong thập kỷ qua so với ước tính đắt hơn 35 lần so với thép vào đầu những năm 2000.[10]
Vật liệu composite[sửa|sửa mã nguồn]
Sợi carbon được sử dụng đáng quan tâm nhất để gia cố vật tư composite, đặc biệt quan trọng là loại vật tư được gọi là polymer gia cố bằng than chì hoặc sợi carbon. Vật liệu phi polymer cũng hoàn toàn có thể được sử dụng làm ma trận cho sợi carbon. Do sự hình thành của carbide sắt kẽm kim loại và xem xét đến ăn mòn, carbon đã chỉ thành công xuất sắc hạn chế trong những ứng dụng hỗn hợp ma trận sắt kẽm kim loại. Carbon-carbon gia cố ( RCC ) gồm có than chì được gia cố bằng sợi carbon và được sử dụng cấu trúc trong những ứng dụng nhiệt độ cao. Sợi cũng được sử dụng để lọc những loại khí có nhiệt độ cao, như một điện cực có diện tích quy hoạnh mặt phẳng cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, và như một thành phần chống tĩnh điện. Đúc một lớp sợi carbon mỏng mảnh giúp cải tổ đáng kể năng lực chống cháy của polyme hoặc vật tư tổng hợp nhiệt vì lớp sợi carbon rậm rạp, nhỏ gọn phản xạ nhiệt hiệu suất cao. [ 11 ]Việc sử dụng vật tư tổng hợp sợi carbon ngày càng tăng đang sửa chữa thay thế nhôm trong những ứng dụng hàng không thiên hà, thay bằng những sắt kẽm kim loại khác vì những yếu tố ăn mòn điện. [ 12 ] [ 13 ]
Găng tay đua xe máy với bảo vệ sợi carbon cho dây chằng ở ngón tayTiền chất cho sợi carbon là polyacrylonitrile ( PAN ), rayon và pitch. Sợi sợi carbon được sử dụng trong 1 số ít kỹ thuật giải quyết và xử lý : sử dụng trực tiếp là để sẵn sàng chuẩn bị, cuộn dây tóc, pultrusion, dệt, bện, vv Sợi sợi carbon được nhìn nhận theo tỷ lệ tuyến tính ( khối lượng trên một đơn vị chức năng chiều dài ; nghĩa là, 1 g / 1000 m = 1 tex ) hoặc theo số lượng sợi trên mỗi sợi, tính bằng nghìn. Ví dụ : 200 tex cho cuộn 3.000 sợi của sợi carbon mạnh gấp ba lần cuộn 1.000 sợi carbon, nhưng cũng nặng gấp ba lần. Cuộn sợi này sau đó hoàn toàn có thể được sử dụng để dệt một tấm vải sợi carbon. Sự Open của loại vải này thường nhờ vào vào tỷ lệ tuyến tính của sợi và kiểu dệt được chọn. Một số loại dệt thường được sử dụng là twill, satin và plain. Sợi carbon sợi cũng hoàn toàn có thể được dệt kim hoặc bện .
Vi điện cực[sửa|sửa mã nguồn]
Sợi carbon được sử dụng để sản xuất những vi điện cực bằng sợi carbon. Trong ứng dụng này thường là một sợi carbon duy nhất có đường kính 5-7 μm được niêm phong trong mao quản thủy tinh. [ 14 ] Ở phần đầu, mao quản được hàn kín bằng epoxy và được đánh bóng để tạo ra vi điện cực đĩa sợi carbon hoặc sợi được cắt theo chiều dài 75. Các vi điện cực bằng sợi carbon được sử dụng hoặc trong phép đo ampe kế hoặc quét nhanh theo chu kỳ luân hồi để phát hiện tín hiệu sinh hóa .
Sưởi ấm linh động[sửa|sửa mã nguồn]
Một chiếc áo khoác làm ấm bằng sợi carbon DIYĐược biết đến với độ dẫn điện của chúng, sợi carbon hoàn toàn có thể tự mang dòng điện rất thấp. Khi được dệt thành những loại vải lớn hơn, chúng hoàn toàn có thể được sử dụng để cung ứng nhiệt hồng ngoại một cách đáng an toàn và đáng tin cậy trong những ứng dụng yên cầu những yếu tố làm nóng linh động và hoàn toàn có thể thuận tiện duy trì nhiệt độ trên 100 °C do đặc thù vật lý của chúng. Nhiều ví dụ về loại ứng dụng này hoàn toàn có thể được nhìn thấy trong ‘ DIY ‘ hoặc Do it Yourself những loại sản phẩm được làm nóng của quần áo và chăn. Do tính trơ hóa học của nó, nó hoàn toàn có thể được sử dụng tương đối bảo đảm an toàn giữa hầu hết những loại vải và vật tư ; tuy nhiên, quần short gây ra bởi vật tư gấp lại chính nó sẽ dẫn đến tăng lượng nhiệt tạo ra và hoàn toàn có thể dẫn đến hỏa hoạn .
Mỗi sợi carbon được sản xuất từ một polymer như polyacrylonitrile ( PAN ), rayon, hoặc xăng dầu sân, biết đến như một tiền thân. Đối với những polyme tổng hợp như PAN hoặc rayon, tiền chất thứ nhất được tách thành sợi tơ, sử dụng những quy trình hóa học và cơ học để trong bước đầu sắp xếp những phân tử polymer theo cách tăng cường đặc thù vật lý sau cuối của sợi carbon đã triển khai xong. Thành phần tiền chất và những quy trình tiến độ cơ học được sử dụng trong quy trình kéo sợi sợi hoàn toàn có thể khác nhau giữa những đơn vị sản xuất. Sau khi vẽ hoặc kéo sợi, những sợi tơ polymer sau đó được nung nóng để vô hiệu những nguyên tử phi carbon ( cacbon hóa ), tạo ra sợi carbon sau cuối. Các sợi sợi carbon hoàn toàn có thể được giải quyết và xử lý thêm để cải tổ chất lượng giải quyết và xử lý, sau đó giải quyết và xử lý những bobbins. [ 15 ]
- Polymerization of acrylonitrile to PAN,
- Cyclization during low temperature process,
- High temperature oxidative treatment of carbonization (hydrogen is removed). After this, process of graphitization starts where nitrogen is removed and chains are joined into graphite planes.
Tổng hợp sợi carbon từ polyacrylonitrile ( PAN ) :Một giải pháp sản xuất thông dụng tương quan đến việc làm nóng những sợi PAN lê dài đến khoảng chừng 300 °C trong không khí, phá vỡ nhiều link hydro và oxy hóa vật liệu. PAN bị oxy hóa sau đó được đặt vào lò nung có khí quyển trơ của khí như argon và được làm nóng đến khoảng chừng 2000 °C, gây ra sự graphit hóa của vật tư, biến hóa cấu trúc link phân tử. Khi được nung nóng trong điều kiện kèm theo đúng mực, những chuỗi này link với nhau ( polyme bậc thang ), tạo thành những tấm graphene hẹp sau cuối hợp nhất để tạo thành một dây tóc cột đơn. Kết quả thường là 93 carbon95 % carbon. Sợi chất lượng thấp hơn hoàn toàn có thể được sản xuất bằng cách sử dụng cao độ hoặc rayon làm tiền chất thay vì PAN. Carbon hoàn toàn có thể được tăng cường không chỉ có vậy, như mô đun cao, hoặc carbon cường độ cao, bằng những quy trình giải quyết và xử lý nhiệt. Carbon được làm nóng trong khoanh vùng phạm vi 1500 °C ( carbon hóa ) bộc lộ độ bền kéo cao nhất ( 5.650 MPa, hoặc 820.000 psi ), trong khi sợi carbon được làm nóng từ 2500 đến 3000 °C ( graphitizing ) bộc lộ mô đun đàn hồi cao hơn ( 531 GPa, hoặc 77.000.000 psi ) .
Tính linh động của vải dựa trên carbon rayon
Nghiên cứu sản xuất sợi tái tạo[sửa|sửa mã nguồn]
Hiện nay, 1 số ít tổ chức triển khai điều tra và nghiên cứu đang thực thi nghiên cứu và điều tra để nỗ lực tổng hợp sợi carbon từ những nguyên vật liệu thô không tái tạo. [ 16 ] [ 17 ] Nếu thành công xuất sắc, điều này hoàn toàn có thể làm giảm lượng khí thải nhà kính tương quan đến sản xuất sợi carbon cũng như chi phí sản xuất dài hạn. [ 18 ]
Vantablack
